随机振动及试验技术(第七讲)随机振动试验与控制技术
随机振动课件
在机械工程领域，随机振动分析还用 于研究机械设备的动态特性和稳定性 、振动噪声和疲劳寿命等。这些研究 有助于工程师更好地了解机械设备的 性能和安全性，并采取相应的措施来 提高机械设备的稳定性和可靠性。
06
随机振动的发展趋势与 展望
新材料的应用
高强度材料
随着新材料技术的不断发展，高强度、轻质材料在随机振动 领域的应用越来越广泛。这些材料能够提高结构的刚度和稳 定性，降低振动响应，从而提高结构的可靠性和安全性。
研究时变系统在随机激励下的响应特性， 包括时变系统的随机响应计算、自适应控 制和鲁棒稳定性等问题的分析。
02
随机振动分析方法
概率密度函数法
概率密度函数法是一种基于概率论的方法，用于描述随机振动信号的概率分布特性。
通过概率密度函数，可以计算随机振动信号的统计特性，如均值、方差、偏度、峰 度等。
该方法适用于分析具有复杂分布特性的随机振动信号，如非高斯、非线性、非平稳 等。
随机振动的应用领域
01
02
03
04
航空航天
飞机和航天器的起落架、机身 等部件在着陆和发射过程中的
振动。
交通运输
铁路、公路和地铁等交通工具 的减震和隔震设计，以及车辆 零部件的振动疲劳寿命分析。
土木工程
高层建筑、桥梁和隧道的抗震 设计，以及建筑结构的振动控
制。
机械工程
机械设备和精密仪器的振动隔 离和减振设计，以及振动测试
随机振动课件
目录
• 随机振动概述 • 随机振动分析方法 • 随机振动的影响因素 • 随机振动控制技术 • 随机振动在工程中的应用 • 随机振动的发展趋势与展望
01
随机振动概述
定义与特点
定义
第13章 随机振动试验
第13章随机振动试验13.1 试验目的、影响机理、失效模式产品在运输和实际使用中所遇到的振动，绝大多数就是随机性质的振动（而不是正弦振动）。
例如，宇航器和导弹在发射和助推阶段的振动；火箭发动机的噪声和气动噪声使结构产生的振动；飞机（特别是高速飞机）的大功率喷气发动机的振动；飞机噪声使飞机结构产生的振动和大气湍流使机翼产生振动；飞机着陆和滑行时的振动；车辆在不平坦的道路上行驶时产生的振动；多变的海浪使船舶产生的振动等等都属于随机性质的振动。
因此，随机振动试验才能更真实反映产品的耐振性能。
随机振动和正弦振动相比，随机振动的频率域宽，而且有一个连续的频谱，它能同时在所有频率上对产品进行激励，各种频率的相互作用远比用正弦振动仅对某些频率或连续扫频模拟上述振动的影响更严酷更真实和更有效。
另外，用随机振动来研究产品的动态特性和结构的传递函数比用正弦振动的方法更为简单和优越。
随机振动和正弦振动一样能造成导线摩擦、紧固件松动、活动件卡死，从而破坏产品的连接、安装和固定。
当随机振动激励造成的应力过大时，会使结构产生裂纹和断裂，特别在严重的共振状态下更为显著。
长时间的随机振动，由于交变应力所产生的累积损伤，会使结构产生疲劳破坏。
随机振动还会导致触点接触不良、带电元件相互接触或短路、焊点脱开、导线断裂以及产生强电噪声等。
从而破坏产品的正常工作，使产品性能下降、失灵甚至失效。
为了能在试验室内模拟产品在现场所经受到的实际随机振动及其影响，工程技术人员为此付出了许多的努力。
早在六十年代，国际上对随机振动的研究就十分活跃。
不仅在理论上有了重大突破，而且有了较完善的试验方法和试验设备。
1962年美国军标810中首先规定了随机振动试验方法。
1964年英国国防部标准07-55中也提出了随机振动试验。
1973年IEC公布了四个具有不同再现性宽带模拟式随机振动试验方法，到上世纪90年代又公布了数字式随机振动试验方法。
目前国内的随机振动试验已很普及，随机振动试验设备，特别是一般用途的随机振动控制仪价格也不高。
振动试验机随机振动试验的操作方法
振动试验机随机振动试验的操作方法做振动试验的好处1、设计时，可分析破坏点、易不良点2、质量时，可分析每一批产品所产生的不同点和不良点3、生产时，可完全一边振动一边测量，使产品不良率早发现。
4、耐久测量，让产品耐久使用、使不耐久的组件提早改进，公司品牌口碑即会更好。
振动试验机的操作方法：1、试验前后的准备工作见“操作方法一”。
2、将滤波器转换开关选至适当的频率范围。
3、运行RANVIB.EXE,出现主窗口。
4、新试验项目可以单击“参数设置”，选“宽带随机”,“宽带加窄带”或“宽带加正弦”。
如果选择“宽带随机”，将会出现下列参数：本系统对宽带谱线数的设置更灵活, 原理上可以在100--800内任意设置。
虽然缺省值为400线，您也可以根据最低和最高试验频率进行设置, 使频率分辨率为整数, 最低频率也最好为频率分辩率的整数倍，如最低频率10Hz,最高频率500Hz,可设谱线数为250,则频率分辩率为2.00Hz。
由于试验均衡速度与频率分辩率成反比，所以低频和试验时间很短的试验，比如不到1分钟，宜选较小的谱线数，否则试验均衡速度将会太慢。
真/伪随机，通常选真随机。
但在时间很短的试验中，可选伪随机，以加快均衡速度。
削波系数小，可避免过大的加速度峰值, 保护振动台, 但会引起附加噪声。
在进行系统动态范围测试时, 应选用较大值。
显示的非零初始值为缺省值。
其它各参数设置的意义比较明显，不多解释。
上述问题回答完, 系统会对上述数据进行越界检测, 如有错误将报警并自动跳到该数据位置, 便于您及时修改。
按“下一步”，开始其它参数设置。
设置振级-时间表，推荐用3dB增量。
宽带谱设置,每段输入三个数: 下一频率,谱1,谱2, 谱2=0 表示谱1 为斜率(dB/oct)。
如果选“宽带加窄带”，则要输入窄带谱段数，每段输入三个数:频率1,频率2,谱(g^2/Hz)。
如果选“宽带加正弦”，则要输入正弦谱段数，每段输入两个数：频率，加速度。
振动试验技术综述
振动试验技术综述作者：刘宗华刘天同董达来源：《科技创新导报》 2014年第22期刘宗华刘天同董达(红林公司湖北孝感 432000)摘要：该文讲述了振动试验（正弦振动、随机振动）的原理、参数识别、计算公式，重点讲述了随机振动试验技术，包括试验容差要求、振动条件疲劳等价关系以及振动控制理论、方法等。
另外，还介绍了振动夹具的设计要求、测试方法等。
关键词：随机振动试验技术振动控制中图分类号:TH13文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)08(a)-0042-02振动试验是在实验室条件下产生一个人工可控的振动环境，该环境模拟产品生命周期（制造/维修、运输、工作、其它）内的使用振动环境，使产品经受与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用，考核产品在预期使用过程的振动环境作用下，能否达到设计所规定的各项技术要求，同时也是考核产品结构强度和可靠性的一个主要试验方法。
因此，振动试验是产品可靠性试验的重要组成部分。
1 正弦振动试验1.1 正弦振动试验原理振动变量是正弦函数形式的一种振动试验。
振动函数为：为角速度（ω=2πf）;为振幅或位移（mm）。
1.2 正弦振动试验方法常用的正弦振动试验分为：定频振动和扫频振动。
定频振动是指频率一定，振动加速度（或幅值）、试验时间可变的正弦振动试验。
扫频振动即正弦扫描，指按规定振动量的正弦波，在试验频率范围内，以某种规律连续改变振动频率以激励被试件。
扫描时频率变化率称为扫描速率，扫描形式分为线性扫描和对数扫频两种。
[1]1.3 正弦振动试验的峰值加速度要求(1)振动环境：保证在规定频率范围内，控制传感器上的正弦峰值加速度偏差不大于规定值的±10％。
(2)振动测量：保证在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上的正弦峰值测量数据，其偏差在振动量值的±5％之内。
(3)均方根加速度值：正弦振动均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。
《随机振动课件全》课件
01
02
பைடு நூலகம்
03
概率密度函数
描述随机变量取值的概率 分布情况。
自相关函数
描述随机过程某一时刻的 取值与另一时刻取值之间 的相关性。
互相关函数
描述两个随机过程之间的 相关性。
随机振动的频域分析
傅里叶变换
将时域信号转换为频域信号，便于分析信号的频率成分。
频谱分析
通过对频域信号的分析，得到信号中各频率成分的幅值和相位信息。
03 随机振动的测试与实验
测试设备与传感器
测试设备
为了进行随机振动测试，需要选择合适的测试设备，包括振动台、激振器等。这些设备应具备足够的功率和频率 范围，以模拟各种实际环境中的振动情况。
传感器
传感器是用于测量振动的关键设备，包括加速度计、速度传感器和位移传感器等。选择合适的传感器需要考虑其 灵敏度、线性范围和频率响应等参数，以确保准确测量振动数据。
稳定性问题，为实际工程提供理论支持。
随机振动控制与减振
02
研究如何通过控制策略和减振技术降低随机振动对工程结构的
影响，提高结构的抗振性能。
随机振动测试与实验
03
发展先进的测试技术和实验方法，对随机振动进行准确测量和
实验验证，为理论研究提供数据支撑。
未来发展方向与趋势
跨学科交叉研究
将随机振动研究与材料科学、控 制理论、人工智能等领域进行交 叉融合，开拓新的研究领域和应
数据处理与分析
数据处理
在获得原始振动数据后，需要进行一系 列数据处理，包括滤波、去噪、归一化 和平滑处理等。这些处理有助于提取有 用的信息，并消除干扰和异常值对数据 的影响。
VS
结果分析
分析处理后的数据可以帮助理解结构的动 力学特性和行为。分析方法包括频域分析 和时域分析等，可以揭示结构的共振频率 、阻尼比和模态形状等信息。根据分析结 果，可以对结构进行优化或改进设计，以 提高其抗振性能和稳定性。
振动试验及振动试验设备培训课件(PPT39张)
④模拟汽车运输试验台 可代替实际跑车试验。
3、振动试验设备的选型及使用 首先应根据所做试验的频率范围及扫频方式选择振动 台的类型（机械式振动台或电动式振动台） （1）机械振动台的选型 机械式振动台是按载荷大小命名的， a、一般技术指标 载荷：15-1000kg 台面尺寸：一般为方台面 最大位移：5mm 最大加速度：5-20g 频率范围：5-80Hz 试验方式：定频、定位移线性或指数扫频 振动方向：垂直和水平 b、机械振动台的选型 根据试品重量、试品大小、及试品需要振动的方向选择 振动台的型号。
推力 30000N M活 空载加速度 200kg负载下加速度 45kg 65g 12.19g
30000N,空载加速度100g的振动台
推力 30000N M活 30kg 空载加速度 100g 200kg负载下加速度 13g
在200kg负载下两者加速度只差0.8g
②电动振动台作冲击试验 随着控制仪技术的发展，及开关功放技 术的应用，电动台允许的振动速度得到很大 提高，为电动台作冲击试验提供了很大的方 便，由于使用了开关功放，电动台允许的冲 击速度可达5m/s允许的冲击推力为正弦推力 峰值的 2倍。 ③ 随机振动试验技术 随机振动是较为真实的反映实际环境的一 种试验方法，它的概念较为抽象，涉及的知 识面较宽，作为我们试验人员需从以下两方 面弄清楚随机振动。
我公司设计的电动台充分考虑GJB150、 GJB360、GJB548的要求，结合国外电动台的 特点，10000N以下电动台做到高频率高加速 度，适宜于元器件的正弦及随机试验，满足 GJB360、GJB548的需要。20000N以上电动 台做到大台面高带载特性，适宜于部件及整 机的正弦及随机试验，满足GJB150的需要。
③频率范围 振动试验设备允许的工作频率范围，振 动试验设备的频率范围主要决定于活动系 统的一阶谐振频率范围，尤其对于电动振 动台，其额定上限频率约为一阶谐振频率 的1.2倍左右。如下图所示：
机械工程中的随机振动控制与优化
机械工程中的随机振动控制与优化随机振动是机械系统中常见的一种现象，它对机械系统的稳定性和工作效率有着重要影响。
在实际工程中，如何控制和优化机械系统中的随机振动成为了研究的热点之一。
本文将围绕机械工程中的随机振动控制与优化展开讨论，分别从控制方法和优化算法两个方面进行探究。
一、随机振动的控制方法1.有源振动控制有源振动控制是通过引入外部激励力对机械系统进行控制，从而降低其随机振动的一种方法。
主要的有源振动控制方法包括主动控制和半主动控制。
主动控制是指通过主动操纵机械系统中的激励力，以抵消或减小随机振动的方法。
主动控制通常需要使用力传感器和执行器等设备，通过实时的反馈控制算法来生成相应的控制信号。
这种方法可以更精确地对机械系统进行控制，但相应的成本较高。
半主动控制则是在机械系统中引入可调节的阻尼器或弹簧等元件，通过控制这些元件的参数来实现对机械系统随机振动的控制。
相比于主动控制，半主动控制不需要大量的能量输入，且成本较低，但控制效果不如主动控制。
2.无源振动控制无源振动控制是通过优化机械系统的结构参数和材料特性来降低随机振动的方法。
常见的无源振动控制方法包括减振、隔振和吸振。
减振是指通过调节机械系统的结构参数来改变其固有频率，以减小随机振动的幅值。
常用的减振方法包括添加阻尼材料、加装振动吸收器等。
这些方法可以有效地降低机械系统的振动响应，提高其稳定性。
隔振是指在机械系统与外界振动源之间设置隔振元件，以阻止或减小振动的传输。
常见的隔振元件包括弹簧隔振器和减振橡胶等。
通过选取合适的隔振元件，可以将外界振动源对机械系统的影响降到最低。
吸振是指利用特殊的材料和结构使机械系统对某一频率的振动敏感，从而吸收该频率的振动能量。
常见的吸振方法包括使用嵌入材料吸振器和阻尼器等。
吸振可以减小机械系统的振动幅值，提高其工作效率。
二、随机振动的优化算法随机振动的优化算法是指通过对机械系统中的结构参数进行优化，使系统在受到随机振动时具有更好的稳定性和工作效率的方法。
随机振动基础知识
随机振动基础知识目录一、内容描述 (2)1.1 定义与特点 (2)1.2 研究背景与意义 (3)1.3 振动基础知识的引入 (4)二、随机振动理论基础 (5)2.1 随机过程基本概念 (7)2.2 随机变量的统计特性 (8)2.3 随机信号的描述与分析 (9)三、随机振动信号分析 (10)3.1 随机振动信号的分类 (11)3.2 信号的频谱分析 (12)3.3 信号的时频分析 (13)四、随机振动系统的建模与特性分析 (15)4.1 系统建模方法 (16)4.2 系统传递函数与响应特性 (17)4.3 系统稳定性分析 (18)五、随机振动系统的分析与控制策略 (20)5.1 振动系统分析方法 (21)5.2 振动控制策略设计 (22)5.3 控制策略性能评估与优化 (23)六、随机振动实验与测试技术 (24)6.1 实验设计原则与方法 (26)6.2 振动测试技术介绍 (27)6.3 实验数据处理与分析方法 (28)七、随机振动在各个领域的应用实例分析 (29)7.1 机械工程领域应用实例 (31)7.2 土木工程领域应用实例分析 (32)一、内容描述随机振动是指在没有外力作用下，物体由于内部分子或原子的热运动而产生的振动。
这种振动具有随机性和无规律性，是自然界中普遍存在的现象。
随机振动的基本知识包括振动的概念、类型、周期、频率、振幅等基本概念和计算方法。
还涉及到随机振动的稳定性、能量传递、阻尼等现象及其影响因素。
本文档将详细介绍随机振动的基础理论，包括振动方程、波动方程、阻尼振动等内容，并通过实例分析来帮助读者更好地理解和掌握随机振动的基本原理。
1.1 定义与特点随机振动是一种振动模式，其振幅、频率和相位随时间变化，且没有规律性。
与确定性振动（如规则的正弦波或方波振动）不同，随机振动往往由多种频率成分组成，这些成分具有一定的概率分布。
在随机振动分析中，这一特性通常通过功率谱密度函数来描述。
随机振动的一个显著特点是它在时间域内的非周期性和随机性，以及在频率域内的频谱均匀分布。
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（2）时差域：自相关函数。 （3）自功率谱密度函数。对于多输入系统，还 要进行互相关函数和互谱密度的模拟。
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4
随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 单一随机振动模拟的等价条件讨论。 振 动 x ( t ) , x ( t ) 与 x ' ( t ) 等价首 设现场随机振动为 及 先是： 试 ' x x (10.1) 验 （1）均值 技 （2）标准差 ' (10.2) x x 术 2 2 x x ' ，说明随机振动 由（2）和（1）导出
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随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 振 10.4.2 随机振动试验系统 动 （1）模拟式随机振动试验系统 及 随机 均衡 功率 保护 试 振动台 信号源 设备 放大器 装置 验 技 x A 均衡的概念 术
n
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随 机 振 动 及 试 验 技 术
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第10章 随机振动试验与控制技术
10.4 振动试验系统分类
10.4.1 正弦振动试验系统 （1）定频试验 在一个或几个频率下进行定频试验，以考核试件 的抗振能力和耐振强度。
试件 正弦振动 自动控制仪 功率 放大器 振动台 前置 放大器 显示 记录仪
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随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 振 10.3 随机振动环境模拟 动 10.3.1 关于振动模拟 及 随机振动的等价条件主要是模拟试验与现场 试 验 试验的功率谱相等。 技 振源模拟 实物实验 术
模拟实验
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模型实验 振源模拟要满足：
G ' ( f ) G xi ( f )
H 2Q ( f ) H 1Q ( f )
2 2
H1 P ( f ) H2P ( f )
2 2
Gy2 ( f )
(10.13)
如果令：
H( f )
H 2Q ( f ) H 1Q ( f )
H1 P ( f ) H2P ( f )
2 2
1
(10.14)
则
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Gz 2 ( f ) G y 2 ( f )
（2）正弦扫描（扫频）试验
规定量级，正弦激励信号的频率随时间变化。
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随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 振 A.线性扫描 0 逆扫描 df 动 (10.18) (常数 ) 0 正扫描 dt 及 试 B.对数扫描 验 d （lnf ） 技 x (常数) 对数扫描率 (10.19) 术 dt
2 2
(10.9)
模拟实验时：
Gz1 ( f ) H1Q GQ ( f ) Gz 2 ( f ) H 2Q GQ ( f )
2 2
(10.10)
若调整
GQ ( f )
，使：
Gz 1 ( f ) G y 1 ( f )
(10.11) (10.12)
11
则要求：
GQ ( f )
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x ( t ) 与 x ' ( t ) 的振动总能量及其静态分量都相等。
（3） 频率。
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f1 f1' ; f2 f2'
(10.3)
f1 , f2 , f1' , f2' 分别是 G x ( f )与 G x ' ( f ) 的峰值对应的
5
随 机 振 动 及 试 验 技 术
均衡是对不同频段上功率放大器的输入信号进行 不同程度的放大和衰减，使振动台的振动或者试件上 某点的振动达到预定的要求。也就是说，均衡是对不 同频段上的振动能量进行重新分配，以实现随机振动 控制。
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随 机 振 动 及 试 验 技 术
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第10章 随机振动试验与控制技术
因此当 两个条件满足时，就 可获得1、2两点处运动的正确模拟。但这两个条 件不能精确满足。当系统的各阶固有频率相互离 得很远，且各阶模态阻尼很小时，近似满足上面 条件，此时在各阶固有频率附近，就可以用一个 激振器近似模拟两点的运动。
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H( f ) 1
H'( f ) 1 、
n
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df / dt (常数) f
扫描 f1 f 的时间： t 或：
2013-8-18
1
ln(
f f1e t
f ) f1
(10.20)
15
随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 振 工程中常用倍频程扫描，表示为： 动 f f1 2kt 及 k-单位时间内扫过频率的倍频程数目，称为倍频 试 验 程扫描率。取 技 f f1e t f1 2kt x 术 由（10.20）知，以对数扫描率 在频带[ f1 , f2 ] 内
xi
模拟方式 响应模拟 失效模拟
( i 1, 2,, )
(10.6)
i j )(10.7)
7
G
' xi x'j
( f ) Gxi x j ( f ) ( i 1, 2,,
j 1, 2,,
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随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 当振源数据难以获得时，采用响应模拟： 振 动 (10.6) ( i 1, 2,, ) G ' ( f ) G yi ( f ) yi 及 G y' ' ( f ) G y y ( f ) ( i 1, 2,, j 1, 2,, i j ) (10.7) 试 y i j i j 验 技 10.3.2 有限点模拟 术 P (t ) y (t ) P (t ) y (t )
* G2 ( f ) [ H ( f ) GP ( f ) H 2 P ( f ) H 2Q ( f )]GPQ ( f ) * 2P
2
[ H ( f ) H 2 P ( f )]GQP ( f ) [ H ( f ) GQ ( f )
* 2Q * 2Q
2
G12 ( f ) [ H ( f ) H 2 P ( f )GP ( f ) H ( f ) H 2Q ( f )]GPQ ( f )
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第10章 随机振动试验与控制技术
Gx ( f ) Gx ' ( f )
0
f1
f2
f
0
f1
f2
f
（4）Gx ( f1 ) Gx ' ( f1 )
G x ( f2 ) G x ' ( f2 )
(10.4)
条件（3）、（4）表示含有振动能量极大值 的频率成分相同，而且这些频率上的振动能量大 小也相同。条件（1）、（2）表示 Gx ( f )与Gx ' ( f ) 下面的面积相等。 (10.5) 要求严格时，有 Gx ( f )＝Gx ' ( f )
(10.15)
12
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第10章 随机振动试验与控制技术
同时还可以推导出：如果令
H 2 P ( f ) H 1Q ( f ) H (f) 1 H 2Q ( f ) H1 P ( f )
'
(10.16) (10.17)
则
Gz1z2 ( f ) G y1 y2 ( f )
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一定程度上再现现场情况。 随机振动试验分类： （1）耐久性试验：也叫强度试验，用于评价结 构或试件的抗随机振动特性，研究其强度破坏及 疲劳寿命等问题。
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(10.9)
式中，表示系统的诸频率响应函数，i 应观测点， j 激振点。
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表示响
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) 要给 G1 ( f )、G2 ( f )、 G12 ( f（同 G21 ( f ) ）的实部、虚 G 部共四个量以一组确定的值，只要调整 GP ( f )、 Q ( f ) 、 GQP ( f ) 的实部和虚部四个量即可。也就是说， 要想精确模拟两个点处的响应谱密度及它们之间 的互谱密度，最少需要两个激振器。
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随机振动及试验技术
授课教师：艾延廷
飞行器动力与能源工程学院
随 第10章 随机振动试验与控制技术 机 振 10.1 概述 动 随机振动试验的必要性:代替现场试验,缩短 及 产品研发周期,减少开发成本。 试 验 实验室再现的可能性：新的试验方法及标准 技 的制订，新设备的研制，使实验室中的实验等在 术
第10章 随机振动试验与控制技术
* G1 ( f ) [ H ( f ) GP ( f ) H1 P ( f ) H1Q ( f )]GPQ ( f ) * 1P 2
[ H ( f ) H1 P ( f )]GQP ( f ) [ H ( f ) GQ ( f )
* 1Q * 1Q
H1 P ( f ) H 1Q ( f )
2
GP ( f ) 2
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第10章 随机振动试验与控制技术
显然可以实现。 2点处运动的功率谱